2.5: Le tableau périodique

À mesure que les premiers chimistes découvraient plus d'éléments, ils se sont rendu compte que divers éléments pouvaient être regroupés d'après leurs comportements chimiques similaires. L'un de ces groupement comprend le lithium (Li), le sodium (Na) et le potassium (K). Tous ces éléments sont brillants, conduisent bien la chaleur et l'électricité, et ont des propriétés chimiques similaires. Un deuxième groupement comprend le calcium (Ca), le strontium (Sr) et le baryum (Ba), qui sont également brillants et de bons conducteurs de chaleur et d'électricité, et qui ont des propriétés chimiques en commun. Toutefois, les propriétés spécifiques de ces deux groupements sont sensiblement différentes les unes des autres. Par exemple, Li, Na et K sont beaucoup plus réactifs que Ca, Sr et Ba. De plus, Li, Na et K forment des composés avec l'oxygène dans un rapport de deux de leurs atomes pour un atome d'oxygène, alors que Ca, Sr et Ba forment des composés avec un de leurs atomes pour un atome d'oxygène. Le fluor (F), le chlore (Cl), le brome (Br) et l'iode (I) présentent également des propriétés similaires entre eux, mais ces propriétés sont radicalement différentes de celles de n'importe quel élément ci-dessus.

Dimitri Mendeleev en Russie (1869) et Lothar Meyer en Allemagne (1870) ont reconnu indépendamment une relation périodique entre les propriétés des éléments connus à cette époque. Ils ont publié tous les deux des tableaux avec les éléments disposés en fonction de la masse atomique croissante. Cependant, Mendeleev est allé un pas plus loin que Meyer ; il a utilisé son tableau pour prédire l'existence d'éléments qui auraient des propriétés semblables à l'aluminium et au silicium, mais qui n'étaient pas encore connus. Les découvertes du gallium (1875) et du germanium (1886) ont apporté un soutien important aux travaux de Mendeleev. Bien que Mendeleev et Meyer aient connu une longue dispute sur la priorité, les contributions de Mendeleev au développement du tableau périodique sont maintenant plus largement reconnues.

Au XXe siècle, il est devenu évident que la relation périodique impliquait des numéros atomiques plutôt que des masses atomiques. L'énoncé moderne de cette relation, la loi périodique, stipule ce qui suit : les propriétés des éléments sont des fonctions périodiques de leurs numéros atomiques. Un tableau périodique moderne organise les éléments dans l'ordre croissant de leur numéro atomique, et il regroupe les atomes ayant des propriétés similaires dans la même colonne verticale. Chaque case représente un élément et contient son numéro atomique, son symbole, sa masse atomique moyenne et (parfois) son nom.  

Les éléments sont disposés en sept lignes horizontales, appelées périodes ou séries, et en 18 colonnes verticales, appelées groupes. Les groupes sont indiqués en haut de chaque colonne. Pour que le tableau puisse tenir sur une seule page, des parties de deux des lignes, soit un total de 14 colonnes, sont généralement inscrites sous le tableau principal.

De nombreux éléments diffèrent considérablement dans leurs propriétés chimiques et physiques, mais certains éléments sont similaires dans leurs comportements. Par exemple, de nombreux éléments semblent brillants, sont malléables et ductiles, et conduisent bien la chaleur et l'électricité. D'autres éléments ne sont pas brillants, malléables ou ductiles et sont de mauvais conducteurs de chaleur et d'électricité. Les éléments peuvent être classés en grandes classes ayant des propriétés communes : les métaux (éléments brillants, malléables, bons conducteurs de chaleur et d'électricité — jaunes ombrés) ; les non-métaux (éléments qui semblent ternes, mauvais conducteurs de chaleur et d'électricité — rouges ombrés) ; et les métalloïdes (éléments qui conduisent modérément bien la chaleur et l'électricité, et qui possèdent certaines propriétés des métaux et certaines propriétés des non-métaux — violets ombrés).

Les éléments peuvent également être classés dans : les éléments du groupe principal (ou les éléments représentatifs) dans les colonnes numérotées 1, 2 et 13—18 ; les métaux de transition dans les colonnes numérotées 3—12 ; et les métaux de transition interne dans les deux rangées au bas du tableau. Les éléments de la ligne supérieure en bas du tableau sont les lanthanides et les éléments de la ligne inférieure sont des actinides. Les éléments peuvent être davantage subdivisés selon des propriétés plus spécifiques, telles que la composition des composés qu'ils forment. Par exemple, les éléments du groupe 1 (la première colonne) forment des composés qui comprennent un atome de l'élément et un atome d'hydrogène. Ces éléments (à l'exception de l'hydrogène) sont connus sous le nom de métaux alcalins et ont tous des propriétés chimiques similaires. Les éléments du groupe 2 (la deuxième colonne) forment des composés comprenant un atome de l'élément et deux atomes d'hydrogène : ce sont les métaux alcalino-terreux, avec des propriétés similaires parmi les membres de ce groupe.  

Les autres groupes portant des noms spécifiques sont les pnictogènes (groupe 15), les chalcogènes (groupe 16), les halogènes (groupe 17) et les gaz nobles (groupe 18, également connu sous le nom de gaz rares ou gaz inertes). Les groupes peuvent également être désignés par le premier élément du groupe : par exemple, les chalcogènes peuvent être appelés le groupe de l'oxygène ou la famille de l'oxygène. L'hydrogène est un élément non métallique unique dont les propriétés sont similaires à celles des éléments du groupe 1 et du groupe 17. Pour cette raison, l'hydrogène peut être représenté au sommet des deux groupes, ou tout seul.

L'élément 43 (technétium), l'élément 61 (prométhium) et la plupart des éléments avec un numéro atomique 84 (polonium) ou supérieur sont indiqués avec leur masse atomique entre crochets. Ceci se fait pour les éléments qui sont entièrement constitués d'isotopes radioactifs instables (la radioactivité est traitée plus en détail dans le chapitre sur la chimie nucléaire). Un poids atomique moyen ne peut pas être déterminé pour ces éléments parce que leurs radioisotopes peuvent varier considérablement en abondance relative, selon la source, ou même ne pas exister dans la nature. Le nombre entre crochets est le nombre de masse atomique, qui est une masse atomique approximative de l'isotope le plus stable de cet élément.

Texte adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 2.5 : Le tableau périodique.

Le tableau périodique des éléments est une référence importante en chimie pour organiser les éléments. Le tableau comporte sept lignes, ou périodes, numérotées de haut en bas, et dix-huit colonnes appelées groupes ou familles. Ces groupes peuvent être numérotés de deux manières différentes.

Alors que le système de numérotation moderne recommandé par l'Union Internationale de chimie pure et appliquée ou L'UICPA, numérote les groupes de 1 à 18, le Chemical Abstracts Services utilise des chiffres romains et des lettres pour désigner les groupes. Ici, les éléments du groupe principal sont désignés par la lettre A et les éléments de transition sont désignés par la lettre B.Les éléments d'un tableau périodique sont classés de gauche à droite et de haut en bas en augmentant le nombre atomique. Ceux qui ont des propriétés similaires tombent dans le même groupe.

Certains des groupes ont des noms communs. Les éléments du Groupe 1, à l'exception de l'hydrogène, sont appelés métaux alcalins et les éléments du groupe 2, métaux alcalino-terreux. Tous ces métaux sont très réactifs et se trouvent dans la nature combinée avec d'autres éléments.

Les éléments non métalliques hautement réactifs du groupe 17 sont appelés halogènes. Les éléments non réactifs et non métalliques du groupe 18 sont appelés gaz nobles ou inertes. Les éléments peuvent être divisés en trois grandes classes:les métaux, les non-métaux et les métalloïdes.

Les métaux sont regroupés vers la gauche et le milieu du tableau périodique et constituent la grande majorité des éléments. Ils sont de bons conducteurs d'électricité et de chaleur. Tous sont solides à température ambiante, à l'exception du mercure, qui est liquide.

Les métaux sont brillants, et ils peuvent être martelés dans des feuilles et dessinés dans des fils. Les métaux, comme le potassium, ont tendance à perdre des électrons pour former des cations, des ions chargés positivement, lorsqu'ils réagissent avec d'autres éléments. Les non-métaux sont regroupés sur le côté droit du tableau périodique et généralement de mauvais conducteurs de chaleur et d'électricité.

À température ambiante, certains sont solides, tandis que d'autres sont des liquides ou des gaz. Les non-métaux ont tendance à gagner des électrons et à former des anions, des ions chargés négativement, lorsqu'ils réagissent avec d'autres éléments. Les métalloïdes sont des éléments qui se trouvent le long de la ligne de démarcation entre le métal et les non-métaux.

Ils sont la plus petite classe d'éléments et présentent des propriétés mixtes. Tous les métalloïdes existent sous forme solide à température ambiante. Certains d'entre eux, par exemple, le silicium et le germanium, agissent comme des semi-conducteurs, ce qui signifie que contrairement aux métaux, ils s'améliorent à conduire l'électricité à mesure que la température augmente.

À température ambiante, tous les métalloïdes existent sous forme de solides. Les éléments du tableau périodique sont souvent également divisés en trois catégories en fonction de leur emplacement:les éléments du groupe principal, les métaux de transition et les métaux de transition internes également appelés lanthanides et actinides pour le premier élément de la série dans chaque rangée.